四位一体多功能流体输送培训装置操作手册.docx
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四位一体多功能流体输送培训装置操作手册
四位一体多功能流体输送培训装置
操作手册
天津大学过程工业技术与装备研究所
天津市睿智天成科技发展有限公司
天津职业大学
流体输送实训装置操作手册
一、实训目的
化工生产涉及的物料大部分是流体，涉及的过程绝大部分是在流动条件下进行的。
流体流动的规律是化工原理的重要基础。
1.认识流体流动设备结构
2.认识流体流动装置流程及仪表
3.掌握流体流动装置的运行操作技能
4.学会常见异常现象的判别及处理方法
二、生产工艺过程
液体和气体统称为流体。
流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。
化工生产中所处理的原料及产品，大多都是流体。
制造产品时，往往按照生产工艺的要求把原料依次输送到各种设备内，进行化学反应或物理变化；制成的产品又常需要输送到贮罐内贮存。
在化工生产中，以下两个方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律：
（1）流体的输送通常设备之间是用管道连接的，欲想把流体按照规定的条件，从一个设备送到另一个设备，就需要选用适宜的流动速度，以确定输送管路的直径。
在流体的输送过程中，常常要采用输送设备，因此就需要计算流体在流动过程中应加入的外功，为选用输送设备提供依据。
（2）压强、流速和流量的测量为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流速及流量等一系列参数进行测定，以便合理地选用和安装测量仪表，而这些仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据。
（一）流体流动基本原理
2.1.1流体流动阻力
连续性假定流体包括液体和气体。
流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成的，而且各单个分子作着随机的、混乱的运动。
如果以单个分子作为考察对象，那么，流体将是一种不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将是非常复杂的。
但是，在流动规律的研究中，人们感兴趣的不是单个分子的微观运动，而是流体宏观的机械运动。
因此，可以取流体质点（或微团）而不是单个分子作为最小的考察对象。
所谓质点指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大的多。
这样，可以假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。
流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。
实践证明，这样的连续性假定在绝大多数情况下是适合的，然而，在高真空稀薄气体的情况下，这样的假定将不复成立。
如果运动空间各点的状态不随时间而变化，则该流动称为定态流动。
显然，对定态流动，指定点的速度以及压强等均为与时间无关的常数。
若取流体中任一微小平面，作用于其上的表面力可分为垂直于表面的力和平行于表面的力。
前者称为压力，后者称为剪力（或切力）。
图1剪应力与速度梯度
设有间距甚小的两平行平板，其间充满流体（如右图）。
下板固定，上板施加一平行于平板的切向力F，使此平板以速度u做匀速运动。
紧贴于运动板下方的流体层以同一速度u流动，而紧贴于固定板上方的流体层则静止不动。
两板间各层流体的速度不同，其大小如图中箭头所示。
单位面积的切向力（F/A）即为流体的剪应力τ。
对于大多数流体，剪应力τ服从下列牛顿黏性定律：
（1）
式中
——
法向速度梯度，1/s
μ
——
流体的黏度，
，即
τ
——
剪应力，Pa
牛顿黏性定律指出，剪应力与法向速度梯度成正比，与法向压力无关。
流体的这一规律与固体表面的摩擦力的规律截然不同。
固体的剪应正比于剪切变形，流体在剪切力的作用下其变形是无止境的，只要作用力存在，变形与运动将一直维持下去，只能在应力与变形的快慢（即变形速率）之间建立关系。
流体在管道内流动时，由于流体的黏性作用和涡流的影响会产生阻力。
直管的摩擦系数是雷诺数和管的相对粗糙度（
）的函数，即
，因此，相对粗糙度一定，λ与Re有一定的关系。
根据流体力学的基本理论，摩擦系数与阻力损失之间存在如下关系：
（2）
式中
——
阻力损失，J/kg
l
——
管段长度，m
d
——
管径，m
u
——
流速，m/s
λ
——
摩擦系数
管路的摩擦系数是根据这一理论关系来测定的。
对已知长度、管径的直管，在一定流速范围内，测出阻力损失，然后按
（2）式求出摩擦系数。
根据能量守恒方程：
（3）
在一条等直径的水平管上选取两个截面，测定
的关系，则这两截面间管段的阻力损失便简化为
（4）
两截面间管段的压力差ΔP可以用压差传感器测量，故可计算出
。
用涡轮流量计测定流体通过已知管段的流量，在已知d的情况下流速可以通过式
计算，由流体的温度可查得流体的密度、黏度，因此，对于每一组测得的数据可分别计算出对应的λ和Re。
2.1.2流体流量的测定
在生产或实验研究中，为控制一个连续过程必须测量流量。
各种反应器、搅拌器、燃烧炉中流速分布的测量，更是改进操作性能、开发新型化工设备的重要途径。
迄今，已成功地研制出多种流场显示和测量的方法，如热线测速仪、激光多普勒测速仪以及摄像仪等。
1.文丘里流量计
节流式流量计是利用流体流经节流装置时产生压力差而实现流量测量的。
它通常是由能将被测流量转换成压力信号的节流元件（如孔板、喷嘴等）和测量压力差的压差计组成。
下图式节流式流量计的一种——文丘里流量计。
它采用了渐缩和渐扩管，避免了突然的缩小和突然的扩大，与其它节流元件相比，大大地降低了阻力损失。
为了避免流量计长度过大，收缩角可取得大一些，通常为15°～25°；扩大角仍需取得小些，一般为5°～7°。
图2文丘里流量计
流量采用下式计算：
（5）
式中
Vs
——
被测流体的体积流量，m3/s
C
——
流量系数，无因次
A0
——
流量计节流孔截面积，m2
ΔP
——
流量计上、下游两取压口之间的压差，Pa
ρ
——
被测流体的密度，kg/m3
文丘里流量计的流量系数C约为0.98～0.99，阻力损失（J/kg）为
（6）
式中，u0为喉孔流速，m/s。
它的能量损失为各种节流装置中最小的，流体流过文丘里管后压力基本能恢复。
但制造加工复杂，成本高。
2.转子流量计
转子流量计应用广泛，其结构如右图所示。
图中转子流量计的主体是一微带锥形的玻管，锥角约在4°左右，下端截面积略小于上端。
管内有一直径略小于玻璃管内径的转子（或称浮子），形成一个截面积较小的环隙。
转子可由不同材料并制成不同形状，但其密度大于被测流体的密度。
管中无流体通过时，转子将沉于管底部。
当被测流体以一定的流量通过转子流量计时，流体在环隙中的速度较大，压强减小，于是在转子的上、下端面形成一个压差，转子将“浮起”。
随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，环隙中流速将减小，转子两端的压差随之降低。
当转子上浮至某一高度，转子上、下端压差造成的升力恰等于转子的重量时，转子不再上升，悬浮于该高度上。
图3转子流量计
1-锥形硬玻璃管；2-刻度
3-突缘填函盖板；4-转子
当流量增大，转子两端的压差也随之增大，转子在原来位置的力平衡被破坏，转子将上升至另一高度，达到新的力平衡，
由此可见，转子的悬浮高度随流量而变，转子的位置一般是上端平面指示流量的大小。
转子流量计的体积流量为;
（7）
式中
qV
——
被测流体的体积流量，m3/s
CR
——
流量校正系数，无因次
A0
——
玻璃管环隙截面积，m2
Af
——
转子截面积，m2
Vf
——
转子的体积，m3
ρf
——
转子的密度，kg/m3
ρ
——
被测流体的密度，kg/m3
转子流量计的特点——恒流速、恒压差。
3.涡轮流量计
涡轮流量计为速度式流量计，是在动量矩守恒原理的基础上设计的。
涡轮叶片因流动流体冲击而旋转，旋转速度随流量的变化而改变。
通过适当的装置，将涡轮转速转换成电脉冲信号。
通过测量脉冲频率，或用适当的装置将电脉冲转换成电压或电流输出，最终测取流量。
涡轮流量计的优点为：
①测量精度高。
精度可以达到0.5级以上，在狭小范围内甚至可达0.1％。
故可作为校验1.5～2.5级普通流量计的标准计量仪表；
②对被测信号的变化，反应快。
被测介质为水时，涡轮流量计的时间常数一般只有几毫秒到几十毫秒。
故别适用于对脉动流量的测量。
2.1.3离心泵
为了将流体由低能位向高能位输送，必须使用各种流体输送机械。
用以输送液体的机械通称为泵，用以输送气体的机械则按不同的情况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。
离心泵的主要构件——叶轮和涡壳离心泵的种类很多，但因工作原理相同，构造大同小异，其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳。
叶轮是离心泵直接对液体做功的部件，其上有若干后弯叶片，一般为4～8片。
离心泵在工作时，叶轮由电机驱动做高速旋转运动，迫使叶片间的液体做近于等角速度的旋转运动，同时因离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘做径向运动。
在叶轮中心处吸入低势能、低动能的液体，液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，在叶轮外缘可获得高势能、高动能的液体。
液体进入涡壳后，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为势能，最后沿切向流入压出管道。
在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心形成低压。
液体在吸液口和叶轮中心处的势能差的作用下源源不断地吸入叶轮。
图4离心泵装置简图
1-叶轮；2-泵壳；3-泵轴
4-吸入管；5-底阀；6-压出管
图5液体在泵内的流动
离心泵是最常见的液体输送设备。
在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率N及效率η均随流量Q而改变。
通常通过实验测出H-Q、N-Q及η-Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。
特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。
泵特性曲线的具体测定方法如下：
1.H的测定
在泵的吸入口和排出口之间列伯努力方程
（8）
（9）
上式中
是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力（不包括泵体内部的流动阻力所引起的压头损失），当所选的两截面很接近泵体时，与伯努力方程中其它项比较，
值很小，故可忽略。
于是（9）式变为：
（10）
将测得的（Z出－Z入）和（P出－P入）的值以及计算所得的u入，u出代入上式即可求得H的值。
2.N的测定
功率表测得的功率为电动机的输入功率。
由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1.0，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。
即：
（11）
（12）
（13）
3.η的测定：
，其中
（14）
式中
η
——
泵的效率
N
——
泵的轴功率，KW
Ne
——
泵的有效功率，KW
H
——
泵的压头，m
Q
——
泵的流量，m3/h
ρ
——
被测流体的密度，kg/m3
4.管路特性曲线
当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。
管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系。
若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。
因此，如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲线一样，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。
泵的压头H计算同上。
（二）带有控制点的工艺及设备流程图
图6流体输送装置流程图
三、安全生产技术
（一）生产事故及处理预案
离心泵气蚀现象：
离心泵在运行过程中，泵体振动并发生噪声，流量、扬程和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液体。
1.检查泵体的固定螺栓是否紧固。
如果螺栓松动，将其上紧。
2.检查阀门管路排气阀，看其是否处于关闭状态。
（二）工业卫生和劳动保护
按规定穿戴劳防用品：
进入化工单元实训基地必须穿戴劳防用品，在指定区域正确戴上安全帽，穿上安全鞋，在进入任何作业过程中佩戴安全防护眼镜，在任何作业过程中佩戴合适的防护手套。
无关人员未得允许不得进入实训基地。
1.动设备操作安全注意事项
1.1检查柱塞计量泵润滑油油位是否正常。
1.2检查冷却水系统是否正常。
1.3确认工艺管线，工艺条件正常。
1.4启动电机前先盘车，正常才能通电。
通电时立即查看电机是否启动；若启动异常，应立即断电。
避免电机烧毁。
1.5启动电机后看其工艺参数是否正常。
1.6观察有无过大噪声，振动及松动的螺栓。
1.7观察有无泄露。
1.8电机运转时不允许接触转动件。
2.静设备操作安全注意事项
2.1操作及取样过程中注意防止静电产生。
2.2装置内的塔、罐、储槽在需清理或检修时应按安全作业规定进行。
2.3容器应严格按规定的装料系数装料。
3.安全技术
进行实训之前必须了解室内总电源开关与分电源开关的位置，以便出现用电事故时及时切断电源；在启动仪表柜电源前，必须清楚每个开关的作用。
设备配有温度、液位等测量仪表，对相关设备的工作进行集中监视，出现异常时应及时处理。
不能使用有缺陷的梯子，登梯前必须确保梯子支撑稳固，面向梯子上下并双手扶梯，一人登梯时要有同伴护稳梯子。
4.职业卫生
4.1噪声对人体的危害：
噪声对人体的危害是多方面的，噪声可以使人耳聋，引起高血压、心脏病、神经官能症等疾病。
还污染环境，影响人们的正常生活降低劳动生产率。
4.2工业企业噪声的卫生标准：
工业企业生产车间和作业场所的工作点的噪声标准为85分贝。
现有工业企业经努力暂时达不到标准时，可适当放宽，但不能超过90分贝。
4.3噪声的防扩：
噪声的防扩方法很多，而且不断改进，主要有三个方面，即控制声源、控制噪声传播、加强个人防护。
当然，降低噪声的根本途径是对声源采取隔声、减震和消除噪声的措施。
5.行为规范
5.1不准吸烟
5.2保持实训环境的整洁
5.3.不准从高处乱扔杂物
5.4不准随意坐在灭火器箱、地板和教室外的凳子上
5.5非紧急情况下不得随意使用消防器材（训练除外）
5.6不得依靠在实训装置上
5.7在实训基地、教室里不得打骂和嬉闹
5.8使用好的清洁用具按规定放置整齐
四、实训操作步骤
（一）开车前的准备工作
1.了解流体输送的基本原理；
2.熟悉流体输送实训工艺流程,实训装置及主要设备；
3.检查公用工程是否处于正常供应状态；
4.检查流程中各阀门是否处于正常开车状态：
5.设备上电，检查各仪表状态是否正常，动设备试车；
6.了解本实训所用水和压缩空气的来源；
7.按照要求制定操作方案。
发现异常情况，必须及时报告指导教师进行处理。
（二）流体阻力测定
●训练目标学习直管摩擦阻力
、直管摩擦系数λ的测定方法，掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度之间关系的测定方法及变化规律，学习压差的几种测量方法。
●操作要求
1.打开离心泵1入口管线的相应阀门。
2.启动离心泵1，全开离心泵1出口阀门。
3.在大流量下进行管路排气。
4.打开光滑管路的相应阀门（或粗糙管路的相应阀门）。
5.将涡轮流量计设定到某一数值，待流动稳定后记录下流量FI01与摩擦压降PI01的读数。
6.切换到另一条管路进行实验。
7.关闭离心泵，将各阀门恢复至开车前的状态。
●数据记录
表2实验记录
测量管规格Φ22×3mm，长1.6mm
序号
流量
压降
摩擦系数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
（三）离心泵性能测定
1.打开离心泵1入口管线相应阀门，启动离心泵。
2.泵出口调节阀全开，将涡轮流量计设定到某一数值，待流动稳定后同时读取流量（FI01）、泵出口处的压强（PI04）、泵进口处的真空度（PI03）、功率等数据。
3.关小流量调节阀，从大流量到小流量依次测取10~15组实验数据。
4.将出口阀调节阀全开，逐次调节离心泵的频率（20－50Hz之间），分别在不同的频率下读取流量（FI01）、泵出口处的压强（PI04）、泵进口处的真空度（PI03）等数据。
5.实验完毕，关闭泵的出口阀门，停泵。
●操作数据记录
表3数据记录
序号
流量
（m3/h）
入口真空度
（KPa）
出口压强
（KPa）
压头
He
功率
Ne
功率表读数
（W）
泵效率
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
根据实验数据画出He-qV、Ne-qV、η-qV之间的关系曲线。
（四）流体输送
●训练目标掌握正确的流体输送方法，了解相应的操作原理。
1.打开离心泵2入口管线相应阀门，再关闭出口阀门启动离心泵2。
2.调节离心泵出口阀门，观察流量FI03以及反应釜的液位（LI03）的变化。
3.当LI03达到一定值后，关闭离心泵，打开反应釜排水阀，将反应釜内流体放回水槽。
4.将各阀门恢复开车前的状态。
（五）文丘里流量计标定
●训练目标了解常用流量计的构造、工作原理、主要特点，掌握流量计的标定方法；了解节流式流量计流量系数C随雷诺数的变化规律，流量系数C的确定方法。
●操作要求
1.打开离心泵1入口管线相应阀门，启动离心泵，全开泵出口调节阀。
2.将涡轮流量计（FI01）固定在某一流量，待流动稳定后记录与之相对应的文丘里流量计的压降读数。
3.关小出口调节阀门，依次减小涡轮流量计的流量，重复步骤2。
4.实验结束时关闭离心泵，将各阀门恢复开车前的状态。
●操作数据记录
表5数据记录
文丘里流量计喉径25mm
序号
涡轮流量计读数m3/h
雷诺数Re
文丘里流量计压降KPa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
五、附录水的物理性质
附表1水的物理性质
温度℃
密度kg/m3
焓J/kg
比热容kJ/（kg•K）
黏度mPa•s
0
999.9
0
4.212
1.788
10
999.7
42.04
4.191
1.305
20
998.2
83.9
4.183
1.004
30
995.7
125.69
4.174
0.801
40
992.2
165.71
4.174
0.653
50
988.1
209.30
4.171
0.549
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